CN106197290A - 基于结构光和数字散斑测量高温物***移和形变的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于结构光和数字散斑测量高温物***移和形变的装置，包括：结构光激光器，用于输出单色结构光并照射到被测物体表面；激光测距单元，用于获得被测物体表面到光电探测单元的距离；光学成像单元，用于将被测物体表面的单色结构光图像成像在光电探测单元上；光电探测单元，用于采集成像的图像并发送给数据处理单元；数据处理单元，用于对光电探测单元发来的图像以及所述被测物体表面到光电探测单元的距离进行计算，得到所述被测量物体在高温状态下的位移和形变。本发明可以用于测量物体在高温状态下的位移和形变。

Description

基于结构光和数字散斑测量高温物***移和形变的装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于结构光和数字散斑测量高温物***移和形变的装置。

背景技术

利用激光散斑测量物体的信息具有非接触测量、全场测量、测量光路简单的优点。基于激光散斑测量物***置或形变信息的技术有利用激光散斑测量物体的微小位移、形变、震动等，但这种方法仅适用于近距离(小于2m)范围内的温度不高的物体，对于远距离的高温物体来说，高温环境不利于产生稳定的激光干涉图，且距离远对激光器功率要求较高，常用的激光器难以满足要求，因此，当前基于激光散斑的方法难以应用于远距离测量高温物体的位移和形变。

利用单纯的数字散斑法可以适用于远距离的物体的测量，只要保证物体的温度不太高，容易设置特征点即可。但对于远距离的高温物体，其特征点不容易设置，这样数字散斑法就难以用于测量远距离的高温物体的位移。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于结构光和数字散斑测量高温物***移和形变的装置，用以解决现有数字散斑法难以策略远距离高温问题位移的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种基于结构光和数字散斑测量高温物***移和形变的装置，包括：

结构光激光器，用于输出单色结构光并照射到被测物体表面；

激光测距单元，用于获得被测物体表面到光电探测单元的距离；

光学成像单元，用于将被测物体表面的单色结构光图像成像在光电探测单元上；

光电探测单元，用于采集成像的图像并发送给数据处理单元；

数据处理单元，用于对光电探测单元发来的图像以及所述被测物体表面到光电探测单元的距离进行计算，得到所述被测量物体在高温状态下的位移和形变。

进一步地，所述单色结构光的的结构为点阵列，光的波长范围为380～760nm。

进一步地，所述单色机构光的图案为点状、点阵列状、线状、线阵列状、圆环状、网格状、条状或者余弦条状。

进一步地，所述激光测距单元与光学成像单元和光电探测单元相对位置固定不变。

进一步地，所述光电探测单元为CCD相机或者CMOS相机。

进一步地，所述光学成像单元具体包括：

滤光片，为窄带滤光片，滤光片透过率最大值对应的波长为结构光激光器输出的单色结构光的波长；

光学成像组件，为物方远心成像***，用于将所述被测物体表面的像成像到所述光电探测单元的感光面上。

进一步地，所述数据处理单元具体包括：

数据接收模块，用于实时接收所述光电探测单元的图像，并发送到存储模块；所述图像包含两部分，一部分是来自所述被测物体的图像，用P₀表示，另一部分是来自所述被测物体反射的结构光的图像，用P₁表示，P₀和P₁融合在同一幅图像上；

存储模块，用于实时接收所述数据接收单元发送的图像并存储；

数据分析模块，用于基于特定的数学算法对数字图像进行计算处理，得到所述被测量物体在高温状态下的位移和形变。

进一步地，所述数据分析模块具体用于，将A图像中的P₁作为参考特征点，选取适当的特征子图像C作为参考对象在图像B中进行搜索，基于相关理论通过搜索B图像中与C最匹配的子图像C’来确定图像A和图像B相对位移变化量或者形变量。

本发明有益效果如下：

本发明可以用于测量物体在高温状态下的位移和形变。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例所述装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或者更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

如图1所示，图1为本发明实施例所述装置的结构示意图，具体可以包括：

结构光激光器1，主要用于输出单色结构光并照射到被测物体表面；

结构光激光器1输出单色结构光并照射到被测物体2表面，光的结构为点阵列，光的波长范围为380～760nm，结构光的图案为点状、点阵列状、线状、线阵列状、圆环状、网格状、条状、余弦条状(强度呈余弦分布)等各种类型结构。被测物体2为远距离高温物体，处于常压高温环境，温度最高可以到1800℃，到光电探测器的距离大于2m。

激光测距单元3，主要用于获得被测物体表面到光电探测单元的距离；

激光测距单元3可以为一台小型激光测距仪，测量精度为1mm，激光测距单元3与光学成像组件42和光电探测单元5相对位置固定不变，通过激光测距单元可以获得被测物体2表面到光电探测单元5的距离。

光学成像单元，包括：滤光片41和光学成像组件42，主要用于将被测物体表面的单色结构光图像成像在光电探测单元上；

其中，滤光片41为窄带滤光片，滤光片41透过率最大值对应的波长为结构光激光器1输出的结构光的波长；

光学成像组件42为物方远心成像***，可以将所述被测物体2表面的像成像到所述光电探测单元5的感光面上。

光电探测单元5，主要用于采集成像的图像并发送给数据处理单元；

光电探测单元5为数码相机，相机的主要组件探测器采用CMOS探测器，CMOS探测器像素数大于1024*1024；

数据处理单元，包括：数据接收模块61、存储模块62以及数据分析模块63，主要用于对光电探测单元5发来的图像以及被测物体2表面到光电探测单元5的距离进行计算，得到被测量物体在高温状态下的位移和形变。

其中，数据接收模块61，可以为一套数据采集卡设备，具备高速采集和高速存储功能，主要用于实时接收所述光电探测单元的图像，并发送到存储模块62；该图像包含两部分，一部分是来自所述被测物体的图像，用P₀表示，另一部分是来自所述被测物体反射的结构光的图像，用P₁表示，P₀和P₁融合在同一幅图像上；

存储模块62，具备高速采集和高速存储、处理功能，主要用于实时接收数据接收模块61发送的数字图像并存储；

数据分析模块63，用于基于特定的数学算法(例如数学算法F)对数字图像进行计算处理，得到所述被测量物体在高温状态下的位移和形变。

在测量过程中，结构光激光器1输出的结构光的空间位置是固定不变的。当所述被测物体本身相对结构光不变时，P₀和P₁图像将保持不变，当物体因温度变化等原因发生位移或者形变时，物体和结构光的相对位置将发生变化，即P₀和P₁将会发生相对位置变化。在物体发生位移或者形变前后各采集一幅图像，分别用A、B表示，采用数学算法F将A图像中的P₁作为参考特征点，选取适当的特征子图像C作为参考对象在图像B中进行搜索，基于相关理论通过搜索B图像中与C最匹配的子图像C’来确定图像A和图像B相对位移变化量或者形变量。

上述数学算法F的基本表达式为

$F=\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}\[f(x_i,y_j)-\stackrel{\‾}{f}\]*\[g({x^{*}}_i,y_j^{*})-\stackrel{\‾}{g}\]}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}{\[f(x_i,y_j)-\stackrel{\‾}{f}\]}^2}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}{\[g({x^{*}}_i,y_j^{*})-\stackrel{\‾}{g}\]}^2}}$

式中：f(x_i,y_j)表示A图像中C的某点(x_i,y_j)处的灰度值；表示B图像中C’的某一点处的灰度值；和分别表示子集C和子集C’的平均灰度值。找出相关最大点(x，y)，即可确定位移量(Δx,Δy)。

综上所述，本发明实施例提供了一种基于结构光和数字散斑测量高温物***移和形变的装置，可以用于远距离测量高温物体的形变和位移，并且本发明在数字散斑方法基础上增加了结构光激光作为特征对象，采用结构光激光照射高温物体，物体本身发出的光的光谱为连续光谱，激光为光谱上对应某一波长λ_laster的单色光，当物体被激光照射时，物体发出的连续光谱上λ_laster位置处的强度E就会有变化，通常会增强，这时用相机拍摄物体，在激光波长合适的情况下，可以从图像上分辨出物体表面的结构光图案，就可以通过数字图像处理，获取物体表面的结构光图案，作为特征图来获取物体表面的变化信息。另外，本发明引入滤光片，避免结构光被淹没的问题，滤光片的作用是将除λ_laster以外的光屏蔽掉，使得只有λ_laster附近的光可以入射到探测器，这样物体表面的结构光图案都可以清晰成像，提高了成像质量，使得后期数字图像处理的工作比较容易。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于结构光和数字散斑测量高温物***移和形变的装置，其特征在于，包括：

结构光激光器，用于输出单色结构光并照射到被测物体表面；

激光测距单元，用于获得被测物体表面到光电探测单元的距离；

光学成像单元，用于将被测物体表面的单色结构光图像成像在光电探测单元上；

光电探测单元，用于采集成像的图像并发送给数据处理单元；

数据处理单元，用于对光电探测单元发来的图像以及所述被测物体表面到光电探测单元的距离进行计算，得到所述被测量物体在高温状态下的位移和形变。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述单色结构光的的结构为点阵列，光的波长范围为380～760nm。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述单色机构光的图案为点状、点阵列状、线状、线阵列状、圆环状、网格状、条状或者余弦条状。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光测距单元与光学成像单元和光电探测单元相对位置固定不变。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电探测单元为CCD相机或者CMOS相机。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学成像单元具体包括：

滤光片，为窄带滤光片，滤光片透过率最大值对应的波长为结构光激光器输出的单色结构光的波长；

光学成像组件，为物方远心成像***，用于将所述被测物体表面的像成像到所述光电探测单元的感光面上。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据处理单元具体包括：

数据接收模块，用于实时接收所述光电探测单元的图像，并发送到存储模块；所述图像包含两部分，一部分是来自所述被测物体的图像，用P₀表示，另一部分是来自所述被测物体反射的结构光的图像，用P₁表示，P₀和P₁融合在同一幅图像上；

存储模块，用于实时接收所述数据接收单元发送的图像并存储；

数据分析模块，用于基于特定的数学算法对数字图像进行计算处理，得到所述被测量物体在高温状态下的位移和形变。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述数据分析模块具体用于，将A图像中的P₁作为参考特征点，选取适当的特征子图像C作为参考对象在图像B中进行搜索，基于相关理论通过搜索B图像中与C最匹配的子图像C’来确定图像A和图像B相对位移变化量或者形变量。